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Nature Microbiology:病毒与真核生物之间的基因交换推动了进化

  

病毒与其宿主之间的基因交换是水平基因转移的关键促进因素,也被认为是进化的主要驱动力。近日,牛津大学和英属哥伦比亚大学的研究人员对真核生物与病毒之间的水平基因转移进行了系统评估,并将结果发表在《Nature Microbiology》杂志上。

水平基因转移(HGT)是遗传物质在不同生物体群之间的移动,而不是从父母到后代的DNA “垂直”传递。以往的研究着眼于细菌与其病毒之间的HGT,并表明它在细菌物种之间的基因流动中起着重要作用。然而,这项新研究着眼于病毒与真核生物之间的相互作用,具体包括动物、植物、真菌、原生生物和大多数藻类。

这项研究的通讯作者、牛津大学的初级研究员 Nicholas Irwin 博士表示:“我们从个别例子中了解到,病毒基因在真核生物的进化中发挥了作用。即使人类也有病毒基因,这对我们的发育和大脑功能很重要。我们想更全面地了解HGT如何影响生命之树中的病毒和真核生物。”

为了解决这个问题,研究人员深入分析了数百种真核生物和数千种病毒基因组中的病毒-真核基因转移。他们鉴定出许多转移的基因,并发现从真核生物转移到病毒的HGT频率是反向转移的两倍。

资深作者、英属哥伦比亚大学的植物学系教授Patrick Keeling称:“我们惊喜地发现某些病毒群体,特别是那些感染单细胞真核生物的病毒,从它们的宿主那里获得了很多基因。通过研究这些基因的功能,我们能够预测这些病毒在感染过程中如何影响宿主。”

他们还发现,与病毒相比,真核生物保留的病毒基因较少。不过,这些保留下来的病毒基因在进化过程中似乎对宿主生物学产生了重大影响。

“从藻类细胞壁到动物组织,许多病毒来源的基因似乎反复影响着不同生物的结构和形式,”Irwin博士说。“这表明,宿主与病毒的相互作用也许推动了我们如今看到的生物多样性。”

“这些转移不仅对病毒和宿主都有进化上的影响,还可能对健康产生重要影响,”Keeling 博士补充说。

水平基因转移允许基因在包括病毒和宿主在内的物种之间跳跃。如果这个基因做了一些有益的事情,它就能席卷整个种群,成为该物种的一个特征。这可能导致新能力的快速出现,而不是由较小的突变累积形成大的变化。

尽管寨卡病毒和冠状病毒等病毒似乎没有参与这些基因转移,但它们经常通过复杂的机制操控宿主体内的相似基因。因此,未来对这些转移基因的研究将为了解这些病毒及其他病毒的感染过程提供一个新方法,这或许对药物发现很重要。

Irwin博士认为:“过去两年已经清晰证明了病毒的破坏潜力,但我们认为这项工作是一个有趣的提醒,说明病毒也对地球上的生命演化做出了贡献。”

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Irwin, N.A.T., Pittis, A.A., Richards, T.A. et al. Systematic evaluation of horizontal gene transfer between eukaryotes and viruses. Nat Microbiol (2021). https://doi.org/10.1038/s41564-021-01026-3


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